Lorsque vous branchez un appareil ou allumez un interrupteur, l'électricité semble circuler instantanément à travers les fils dans le mur. Mais en fait, l'électricité est transportée par de minuscules particules appelées électrons qui dérivent lentement à travers les fils. Au cours de leur voyage, les électrons se heurtent parfois aux atomes du matériau, abandonner de l'énergie à chaque collision.

Le degré auquel les électrons se déplacent sans entrave détermine la capacité d'un matériau à conduire l'électricité. Les changements environnementaux peuvent améliorer la conductivité, dans certains cas de façon drastique. Par exemple, lorsque certains matériaux sont refroidis à des températures glaciales, les électrons s'associent pour pouvoir circuler sans entraves, sans perdre aucune énergie, un phénomène appelé supraconductivité.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du département de physique de l'Université du Maryland (UMD) et des collaborateurs ont découvert une supraconductivité exotique qui repose sur des interactions électroniques très inhabituelles. Bien qu'il soit prévu qu'il se produise dans d'autres systèmes non matériels, ce type de comportement est resté insaisissable. Les recherches de l'équipe, publié dans le numéro du 6 avril de Avancées scientifiques , révèle des effets profondément différents de tout ce qui a été observé auparavant avec la supraconductivité.

Les interactions électroniques dans les supraconducteurs sont dictées par une propriété quantique appelée spin. Dans un supraconducteur ordinaire, électrons, qui portent un spin de ½, s'apparier et couler sans entrave à l'aide de vibrations dans la structure atomique. Cette théorie est bien testée et peut décrire le comportement de la plupart des supraconducteurs. Dans cette nouvelle recherche, l'équipe découvre des preuves d'un nouveau type de supraconductivité dans le matériau YPtBi, celui qui semble provenir de particules de spin-3/2.

"Personne n'avait vraiment pensé que cela était possible dans des matériaux solides, " explique Johnpierre Paglione, un professeur de physique UMD et auteur principal de l'étude. « Des états à spin élevé dans des atomes individuels sont possibles, mais une fois que vous avez réuni les atomes dans un solide, ces états se séparent généralement et vous vous retrouvez avec une rotation de moitié. "

Découvrir que YPtBi était un supraconducteur a surpris les chercheurs en premier lieu. La plupart des supraconducteurs commencent comme de bons conducteurs, avec beaucoup d'électrons mobiles, un ingrédient qui manque à YPtBi. Selon la théorie conventionnelle, YPtBi aurait besoin d'environ mille fois plus d'électrons mobiles pour devenir supraconducteur à des températures inférieures à 0,8 Kelvin. Et encore, lors du refroidissement du matériau à cette température, l'équipe a vu la supraconductivité se produire de toute façon. C'était un premier signe que quelque chose d'exotique se passait à l'intérieur de ce matériau.

Après avoir découvert la transition supraconductrice anormale, les chercheurs ont effectué des mesures qui leur ont donné un aperçu de l'appariement électronique sous-jacent. Ils ont étudié une caractéristique révélatrice des supraconducteurs :leur interaction avec les champs magnétiques. Lorsque le matériau subit la transition vers un supraconducteur, il essaiera d'expulser tout champ magnétique ajouté de son intérieur. Mais l'expulsion n'est pas tout à fait parfaite. Près de la surface, le champ magnétique peut encore pénétrer dans le matériau mais se désintègre ensuite rapidement. Dans quelle mesure il va dépend de la nature de l'appariement des électrons, et change à mesure que le matériau refroidit de plus en plus.

Pour sonder cet effet, les chercheurs ont fait varier la température dans un petit échantillon du matériau tout en l'exposant à un champ magnétique plus de dix fois plus faible que celui de la Terre. Une bobine de cuivre entourant l'échantillon a détecté des changements dans les propriétés magnétiques du supraconducteur et a permis à l'équipe de mesurer avec sensibilité de minuscules variations de la profondeur du champ magnétique atteint à l'intérieur du supraconducteur.

La mesure a révélé une intrusion magnétique inhabituelle. Au fur et à mesure que le matériau se réchauffait du zéro absolu, la profondeur de pénétration du champ pour YPtBi a augmenté de manière linéaire au lieu d'exponentiellement comme elle le ferait pour un supraconducteur conventionnel. Cet effet, combiné avec d'autres mesures et calculs théoriques, limité les voies possibles par lesquelles les électrons pourraient s'apparier. Les chercheurs ont conclu que la meilleure explication de la supraconductivité était des électrons déguisés en particules avec un spin plus élevé, une possibilité qui n'avait même pas été envisagée auparavant dans le cadre de la supraconductivité conventionnelle.

La découverte de ce supraconducteur à spin élevé a donné une nouvelle direction à ce domaine de recherche. "Auparavant, nous étions confinés à l'appariement avec des particules de spin demi, " dit Hyunsoo Kim, auteur principal et chercheur adjoint à l'UMD. "Mais si nous commençons à envisager un spin plus élevé, alors le paysage de cette recherche supraconductrice s'élargit et devient de plus en plus intéressant."

Pour l'instant, de nombreuses questions restent ouvertes, y compris comment un tel appariement pourrait se produire en premier lieu. « Quand vous avez ce couple à effet de rotation élevé, quelle est la colle qui maintient ces paires ensemble ?" dit Paglione. "Il y a quelques idées de ce qui pourrait se passer, mais des questions fondamentales subsistent, ce qui le rend encore plus fascinant."